乳糜泻是一种由摄入小麦、大麦、黑麦中的麸质蛋白而引发的自身免疫性肠病,其特征是小肠黏膜对食物中麸质蛋白的消化功能受损[1]。乳糜泻的临床症状多种多样,包括营养吸收不良、腹泻、体质量减轻、骨质疏松、关节痛、疲劳、腹部不适以及铁和叶酸缺乏等[2]。据统计,世界上有1%～2% 的人口患有乳糜泻[3]。目前,有效治疗乳糜泻的唯一方法是坚持无麸质饮食（gluten-free diet,GFD）。除乳糜泻患者外,许多人由于麸质过敏反应也无法耐受麸质蛋白,因此他们也需避免食用含有麸质的食物[4]。近年来,随着乳糜泻确诊人数的不断增加,无麸质食品的需求也在逐渐增长[5-6]。预计在2022 年～2032 年,全球无麸质食品的消费额将从67 亿美元增长至140 亿美元[7]。
无麸质食品主要以各类淀粉和精制粉为原料进行制作[8],常见的无麸质食品为烘焙类食品和固定成型产品,其中,作为饮食主要供能来源的面包和全球消费最多的无麸质面条备受关注。麸质被认为是直接影响面条烹饪特性和面包烘焙特性的最重要因素,而无麸质食品由于缺乏麸质会出现一系列技术和品质问题,如无麸质面条类制品黏性和延展性较差、易断条、烹饪损失高等[9],无麸质面包类制品水分流失快、结构松散、内部易出现大孔隙等。鉴于此,用替代麸质蛋白的方式生产高品质的无麸质产品仍是一项较大的技术挑战[10]。
石花菜（Gelidium amansii）又名牛毛石花、石花草和凤尾等,是红藻门中的一种海洋红藻。由石花菜中提取获得的石花菜多糖（Gelidium amansii polysaccharides,GAP）因其良好的亲水性和能够形成水凝胶的特性,被广泛用作乳化剂、稳定剂和增稠剂等,具有作为亲水胶体改善无麸质面团质构及无麸质食品品质的巨大潜力。然而,目前尚缺乏针对GAP 添加对无麸质食品品质影响的研究。
为评估石花菜多糖（GAP）添加对无麸质食品的品质特性影响,本研究以无麸质面条和无麸质面包为主要研究对象,分析不同GAP 添加量对面条物理特性、微观结构以及烹饪特性的影响,比较不同GAP 添加量对面包质构和烘焙特性的影响。据此系统评估GAP作为添加剂和麸质蛋白替换物改善无麸质食品品质的潜力和效用,以期为生产高品质的无麸食品提供理论和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
石花菜：青岛海草生物科技有限公司；玉米淀粉（86.8 g/100 g 碳水化合物）、马铃薯淀粉（79 g/100 g 碳水化合物）：海宁枫园食品有限公司；果胶、瓜尔豆胶：浙江一诺生物科技有限公司；酵母：安琪酵母股份有限公司；蔗糖、盐、大豆油：市售。试验用水为超纯水。
1.2 仪器与设备
MS204/A 型电子天平：瑞士Mettler Toledo 公司；Mixolab 2 混合试验仪：法国肖邦技术公司；Hauswirt M5 小型和面机：青岛汉尚电器有限公司；ED56 型自然对流烘箱：德国Binder GmbH 公司；023 手动面条机：中国北格公司；CT 3 质构仪：美国Brookfield 公司；CTHI-250B 恒温恒湿箱：美国STIK 公司；C40 烤箱：中国海氏烘焙电器有限公司；CR-400 色差仪：日本Konica Minolta 公司；HC103 快速水分测定仪：瑞士METTLER TOLEDO 公司；300 场发射扫描电子显微镜：德国ZEISS 公司。
1.3 方法
1.3.1 石花菜多糖的提取
石花菜多糖的提取参考文献[11]的方法,采用热提醇沉法获得。将冻干后的石花菜多糖（GAP）研磨成粉末,过100 目筛后于4 ℃储存,备用。
1.3.2 复合无麸质面粉的配制
将玉米淀粉与马铃薯淀粉按质量比4∶1 混合,然后用不同添加量的GAP 替代部分玉米淀粉,配成不同比例的复合无麸质面粉,玉米淀粉/马铃薯淀粉/GAP（质量分数）分别为77%/20%/3%（记作CGFG-L）、74%/20%/6%（记作CGFG-M）、71%/20%/9%（记作CGFGH）、80%/20%/3%（记作Non-CGFG-L）、80%/20%/6%（记作Non-CGFG-M）和80%/20%/9%（记作Non-CGFGH）。对照样品（记作Control）由玉米淀粉（80%）和马铃薯淀粉（20%）组成。配好的复合无麸质面粉于密封袋中4 ℃保存,备用。
1.3.3 面条、面包的制备
参照Gasparre 等[6]的方法并略作修改,面团配方为复合无麸质面粉、大豆油（2.7%）、蔗糖（2%）、盐（1.8%）、果胶（1.3%）、瓜尔豆胶（0.7%）。利用混合试验仪确定用于制备具有恒定稠度[（1.10±0.05） Nm]面团的所需加水量。将上述面团配料在小型和面机中搅拌10 min,直至表面光滑。
1.3.3.1 面条的制备
利用手动面条机将所得面团挤出,挤出的新鲜面条切成8 cm 长条状（直径为3.5 mm）。将新鲜面条分成两批：一批用保鲜膜保存备用,另一批在自然对流烘箱中于40 ℃下加热干燥10～12 h,备用。
1.3.3.2 面包的制备
将面团于25 ℃、相对湿度85%下发酵15 min 后,重新混合1 min,然后分份置于涂油的模具（60 mm×60 mm×60 mm）中整型。继续在上述条件下发酵20 min,于烤箱（上、下火温度均为200 ℃）中烘烤20 min。烘烤结束后取出面包,冷却4 h 后测定相关指标。
1.3.4 面条的质地和颜色测定
在配备TA 5 圆柱形探头（直径12.7 mm）的质构仪中对5 组面条进行双重压缩测试。整个测试过程速度均设置为1 mm/s,测试距离为10.0 mm,触发力为5 g,形变量为70%。
使用色差仪测定面条的颜色参数,其中包括L*值（白色100/黑色0）、a*值（红色为正值/绿色为负值）和b*值（黄色为正值/蓝色为负值）。
1.3.5 面条的扫描电子显微镜分析
将1.3.3.1 中干燥后的面条样品使用液氮脆断的方法制成薄片,放置在导电黏合剂上进行喷金。使用场发射扫描电子显微镜,在3 kV 的电压下以1 000 倍的放大倍数获得面条图像。
1.3.6 面条的烹饪品质指标测定
根据Gasparre 等[6]的方法,对面条的最佳烹饪时间（optimal cooking time,OCT）进行测定。将2 g 的面条浸泡在60 mL 沸水中,每隔30 s 取出一根完整面条,并在两个培养皿之间进行挤压,观察未糊化淀粉的白色核心消失的时间。当白色核心刚刚消失时,即为OCT（min）。
按照Heo 等[13]和Marti 等[14]的方法测定面条烹饪损失（cooking loss,CL）和吸水率（water absorption,WA）。将2 g 的面条样品（M,g）在60 mL 沸水中煮熟（达到最佳烹饪时间）,然后缓慢沥干5 min。记录煮熟后的面食样品质量（m,g）,并将收集的蒸煮水置于105 ℃的自然对流烘箱中干燥至恒重（m′,g）。烹饪损失（C,%）和吸水率（W,%）计算公式如下。
按照Gasparre 等[6]的方法测定膨胀指数（swelling index,SI）,将挂起并沥干的面条称重（m1,g）,然后在自然对流烘箱中以105 ℃的温度干燥至恒重（m2,g）。膨胀指数表示为每克干燥后的面条含水量（S,g/g）,计算公式如下。
1.3.7 面包的质地测定
面包的质地测定参考Encina-Zelada 等[15]的方法并略作修改,将1.3.3.2 制备的面包切成20 mm×20 mm×20 mm 正方体,两头的面包片弃用。使用TA 4 圆柱形探头（直径为38.1 mm）对冷却后的面包进行双重压缩测试,整个测试过程速度均设置为1 mm/s,测试距离为10.0 mm,触发力为 5 g,形变量为50%。
1.3.8 面包的水分含量测定
使用校准后的快速水分测定仪测定面包的水分含量。
1.3.9 面包的烘焙损失测定
参考Ma 等[16]的方法测定面包的烘焙损失（H,%）,计算公式如下。
式中：m3 为生面团质量,g；m4 为面包质量,g。
1.4 数据处理
所有试验均至少进行3 次,结果以平均值±标准差表示。数据比较采用单因素分析,P<0.05 为具有统计学差异。所有数据分析和图表均采用GraphPad Prism（9.0 版本）软件制作。
2 结果与分析
2.1 面条的质地和颜色结果分析
图1 为不同GAP 添加量面条的形态。
图1 不同GAP 添加量面条的形态
Fig.1 Representative morphology of gluten-free raw noodles after addition of different levels of GAP
由图1 可知,在对照组面条的制备过程中,由于缺乏麸质蛋白,面条容易出现断条。同时,由于对照组面团结构较松散,挤压出的面条表面粗糙。相比之下,添加不同水平的GAP 后,挤压出的面条不仅表面逐渐变得平整和光滑,而且在挤压过程中表现出良好的延展性和拉伸特性。特别是在添加高水平GAP 的样品中,面条特性的提升效果更加明显。
不同GAP 添加量面条的质地和颜色结果见表1。
表1 不同GAP 添加量面条的质地和颜色
Table 1 Texture and color of raw noodles after addition of
different levels of GAP
注：同列不同小写字母表示具有显著性差异,P<0.05。
组别Control CGFG-L CGFG-M CGFG-H Non-CGFG-L Non-CGFG-M Non-CGFG-H硬度/g 253±9a 237±5a 218±3b 204±5c 222±5b 205±4c 183±4d L*值99.34±0.33a 94.40±0.21b 90.92±0.79cd 89.21±1.15d 95.42±0.62b 92.27±0.60c 86.61±0.56e a*值-1.01±0.04b-1.11±0.09c-0.88±0.10b-0.35±0.03a-1.01±0.02b-0.89±0.02b-0.45±0.04a b*值3.70±0.12f 9.54±0.31d 12.61±0.50b 14.17±0.17a 8.37±0.04e 10.50±0.09c 13.01±0.02b
在无麸质面条中,考虑到不同配方结合水的能力存在差异,为了保持所有面团的稠度一致,不同复合无麸质面粉配方在制作样品时的添水量略有变化[17]。由表1 可知,无麸质面条的硬度受到水合水平和GAP 含量的影响明显。一般而言,硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力[18],在调整水量后,面条的质地会变得更软。无麸质面条的颜色受GAP 添加量的影响明显,随着GAP 的添加,面条的亮度（L*）值逐渐降低。同时,面条的红度（a*）值和黄度（b*）值也随GAP 的添加而发生变化,与对照组相比,添加中高水平GAP 组（CGFG-M、CGFG-H、Non-CGFG-M、Non-CGFG-H）的面条a*值和b*值明显提高,表明面条的颜色中绿色和黄色的色值有所增加,这可能与GAP 粉末本身的颜色有关。此前的研究发现,添加亲水性胶体会影响无麸质面条的颜色属性,这与Gasparre 等[6]、Srikaeo 等[19]和Martín-Esparza 等[20]的研究结果相符。
2.2 面条的微观结构
图2 为不同GAP 添加量无麸质面条的扫描电子显微镜图。
图2 不同GAP 添加量无麸质面条的扫描电子显微镜图
Fig.2 Scanning electron microscope images of gluten-free noodles after addition of different levels of GAP
箭头表示胶状连续结构。
由图2 可知,对照组面条的微观结构显示出大小不一的玉米淀粉和马铃薯淀粉颗粒的堆积样结构,淀粉颗粒的大小会影响无麸质生面条的硬度品质,这与Yalcin 等[21]的研究结果相似。添加不同水平的GAP后,无麸质面条逐渐显示出紧凑的微观结构,尤其是在添加高水平的GAP 组别中改变更为明显。此外,添加GAP 后会出现类似于“胶状”的连续结构,表现为淀粉颗粒深深嵌入胶状网络结构。因为这些网络结构能够抑制无麸质面条烹饪过程中的固体浸出[22]。
2.3 面条的烹饪品质
在评估与烹饪相关的质量指标时,一般来说,优质面条的特点是烹饪损失低、硬度高、不粘手[23]。表2 为不同GAP 添加量无麸质面条的烹饪品质指标。
表2 不同GAP 添加量无麸质面条的烹饪品质指标
Table 2 Cooking quality indexes of gluten-free noodles after adding different levels of GAP
注：同列不同小写字母表示具有显著性差异,P<0.05。
组别Control CGFG-L CGFG-M CGFG-H Non-CGFG-L Non-CGFG-M Non-CGFG-H OCT/min 8.01±0.04a 6.85±0.06c 5.77±0.09d 4.91±0.07e 7.05±0.13c 7.58±0.09b 7.75±0.08b CL/%14.54±0.36a 12.27±0.39b 10.59±0.12b 8.78±0.15c 11.63±1.67b 11.37±0.60b 13.76±0.76a WA/%151.34±1.23c 172.28±2.85b 174.72±5.84ab 169.13±6.03b 184.71±5.32ab 195.18±6.42a 167.54±2.32b SI/（g/g）2.48±0.02a 2.72±0.13a 2.53±0.08a 2.39±0.11a 2.87±0.25a 2.72±0.48a 2.57±0.07a
由表2 可知,GAP 的添加显著缩短了无麸质面条的OCT（P<0.05）,这主要是由于GAP 可降低复合无麸质面粉的糊化温度,加速玉米面粉的糊化进程[17]。CL是面条品质的关键指标,较低的CL 值表明煮熟的面条品质好。一般认为,CL 值在7.0%～8.0% 范围内是可以接受的[23]。在本研究中,对照组面条的CL 值高达14.54%,相比之下,添加不同水平GAP 无麸质面条的CL 值在8.78%～13.76%,表明添加GAP 可明显降低淀粉基面条的CL 值。这与GAP 形成的网络结构在烹饪过程中的固体损失较少有关[24]。此外,在烹饪过程中,GAP 还可通过抑制马铃薯淀粉的溶胀来减少烹饪损失[25]。对于面条而言,CL 值在6.0% 左右较好,在8.0%左右正常,而超过10.0%则被认为较一般[26]。根据本研究的结果,无麸质面条样品的品质介于正常和一般之间,这是因为所有无麸质面食都缺乏麸质网络,淀粉聚合物在基质中的有效截留效果较差,从而导致淀粉基面条的CL 值较高[23],然而,添加GAP 对无麸质面条的这一损失有较好的改善效果。添加GAP 无麸质面条样品的WA 范围为167.54%～195.18%,显著高于对照组的WA（P<0.05）。这归因于GAP 强大的水结合能力,亲水性胶体的存在会促进面条的WA 值升高,这与Gasparre 等[6]在虎坚果粉无麸质面条中添加亲水性胶体后的变化相一致。此外,GAP 的添加提高了面条的SI 值,但效果并不显著（P>0.05）,这可能与GAP 和两种淀粉的相互作用差异有关。
2.4 面包的物理特性
图3 为不同GAP 添加量无麸质面包的横截面。
图3 不同GAP 添加量无麸质面包的横截面
Fig.3 Representative cross section of gluten-free bread samples after addition of different levels of GAP
a.Control；b. CGFG-L；c. CGFG-M；d. CGFG-H；e. Non-CGFG-L；f. Non-CGFG-M；g. Non-CGFG-H。
由图3 可知,与对照组面包相比,随着GAP 添加量的增加,可以观察到无麸质面包的孔隙率呈明显降低的趋势。
表3 为不同GAP 添加量无麸质面包的质地特性。
表3 不同GAP 添加量无麸质面包的质地特性
Table 3 Texture characteristics of gluten-free bread after addition of different levels of GAP
注：同列不同小写字母表示具有显著性差异,P<0.05。
组别Control CGFG-L CGFG-M CGFG-H Non-CGFG-L Non-CGFG-M Non-CGFG-H硬度/g 8 320±275a 6 244±50b 5 068±387c 4 280±288d 7 459±255b 5 240±148c 6 798±61b咀嚼性410±6a 307±13ab 225±21b 220±28b 370±51a 280±37b 339±34ab弹性9.83±0.38a 8.04±0.07bc 7.43±0.29c 8.56±0.23b 7.63±0.40c 8.77±0.13b 9.26±0.26a
由表3 可知,所有无麸质面包的硬度为4 280～8 320 g,这与Alvarez-Jubete 等[27]的研究结果一致,即大多数无麸质面包具有较高的硬度。添加不同水平的GAP 显著降低了无麸质面包的硬度,尤其是在添加中高水平的GAP 时。无麸质面包的硬度受多种因素影响,包括原料的粒径、直链淀粉含量和糊化温度等[28]。此外,无麸质面包的硬度还与原料的水结合能力密切相关,水结合能力高的原料能够降低面包的硬度。添加GAP 后,增加了复合无麸质面粉的水结合能力,因此导致面包硬度的降低。此外,无麸质面包的弹性为7.43～9.83,添加不同水平的GAP 后,无麸质面包的弹性略微降低。这与面包的孔隙度变化有关,因为孔隙度的改变会导致弹性的变化,从而在某种程度上影响无麸质面包的外观和弹性[29]。添加中高水平的GAP后,无麸质面包的咀嚼性明显降低,这与无麸质面包的硬度降低有关。
2.5 面包的烘焙特性
表4 为不同GAP 添加量无麸质面包的烘焙特性。
表4 不同GAP 添加量无麸质面包的烘焙特性
Table 4 Baking characteristics of gluten-free bread after addition of different levels of GAP
注：同列不同小写字母表示具有显著性差异,P<0.05。
组别Control CGFG-L CGFG-M CGFG-H Non-CGFG-L Non-CGFG-M Non-CGFG-H水分含量/%43.41±0.30c 44.69±0.15bc 45.23±0.32b 47.23±0.21a 44.10±0.24c 44.67±0.73bc 47.95±0.04a烘焙损失/%11.28±0.24a 10.38±0.28ab 9.50±0.40b 8.34±0.12c 6.53±0.39d 7.23±0.12d 9.19±0.50bc
由表4 可知,无麸质面包的水分含量为43.41%～47.95%。添加不同水平的GAP 后,明显提高了无麸质面包的水分含量。水分含量的增加可能是由于添加GAP 后改善了无麸质面粉的持水性,从而在烘焙过程中保留了更多的水分。无麸质面包的水分含量对面包的质地和烘焙损失也具有一定影响。无麸质面包的烘焙损失为6.53%～11.28%。其中,Non-CGFG-L 面包的烘焙损失最低,为6.53%,而对照组面包的烘焙损失最高,达到11.28%。在添加不同水平的GAP 后,无麸质面包的烘焙损失明显降低。这可能归因于无麸质面团在高温烘焙阶段水分的蒸发以及淀粉发生凝胶作用,而烘焙损失的增加则意味着烘焙过程中水分损失的增加[16]。对照组面包的高烘焙损失可能是由于淀粉的持水性较差,无法在烘焙过程中有效保留水分。本文添加GAP 后的无麸质面包的烘焙损失（6.53%～10.38%）低于Turkut 等[30]报道的以米粉、马铃薯粉和藜麦粉制备的无麸质面包的烘焙损失（15.1%～15.4%）。无麸质面团中淀粉与GAP 之间形成了稳定的复合物,其在烘焙过程中抑制了水分的扩散,从而提高了无麸质面包的内部持水能力和保水性[30]。因此,适量添加GAP 可以有效降低无麸质面包的烘焙损失。
3 结论
本研究通过将GAP 添加到以无麸质淀粉为基础的面粉粉基中,研究不同GAP 添加量对无麸质面条和面包品质特性的影响。结果发现,GAP 的添加可有效改善无麸质食品的加工品质,主要体现为无麸质面条的烹饪特性提升,无麸质面包的硬度降低、烘焙损失减少；其中以6%的GAP（CGFG-M）替代玉米淀粉的配方在改善产品品质方面的潜力最大。添加不同水平的GAP 对无麸质面条的烹饪特性和无麸质面包的烘焙特性均产生积极影响,从而改善了无麸质面条和面包的加工品质,本研究可为无麸质食品的开发提供新思路,但仍需要进一步评估消费者对添加GAP 无麸质产品的感官喜好。
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